王 書

(江蘇火電電力設(shè)備制造有限公司，江蘇 鹽城 224051)

電站閥門閥桿出現(xiàn)斷裂故障在一定程度上會影響電站設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行。 為減少電站相關(guān)事故的發(fā)生，電站運(yùn)維人員應(yīng)定期更換有斷裂傾向的閥桿。電站應(yīng)做好對相關(guān)人員的培訓(xùn)工作，強(qiáng)化工作人員操作規(guī)范意識，以此來防止因人為因素而引發(fā)的閥門閥桿斷裂故障。在明確電站閥門閥桿斷裂原因的前提下，如何采取針對性的故障解決措施，是目前各相關(guān)人員需要考慮的問題。

1 電站閥門閥桿斷裂故障原因分析

1.1 電站閥門閥桿斷裂故障原因

電站閥門閥桿斷裂故障經(jīng)常出現(xiàn)在上下螺紋根部，其主要原因?yàn)樵摬课粰M截面積較小，極易出現(xiàn)應(yīng)力集中等情況。通過對電站實(shí)際運(yùn)行情況的調(diào)研和分析可知調(diào)試過度使電站閥門結(jié)構(gòu)處的螺母松動，閥蓋向上轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致閥桿螺母被卡住，進(jìn)而造成電站閥門閥桿出現(xiàn)斷裂故障[1]。此外，閥桿斷裂事故易發(fā)生在閥門開啟的瞬間，主要原因?yàn)椋洪y體中腔關(guān)閉后使得內(nèi)部壓力驟然上升，封閉后閥體內(nèi)部壓力過載促使其閥桿上的螺紋根部斷裂。

1.2 試驗(yàn)調(diào)查

為了查出電站閥門閥桿出現(xiàn)斷裂故障的準(zhǔn)確原因，以某電站已發(fā)生斷裂故障的閥門閥桿作為對象開展試驗(yàn)檢查。經(jīng)過開缸檢查后發(fā)現(xiàn)，閥桿與閥瓣之間相互連接的部位發(fā)生了斷裂，斷裂閥桿的制作材料為 S43100馬氏體不銹鋼。在明確閥桿制成材料等情況后，對已經(jīng)斷裂的閥桿進(jìn)行深入探究和分析，快速查找出電站閥門閥桿斷裂的原因，為制定解決措施提供參考依據(jù)，以減少類似斷裂故障的發(fā)生，最大程度上確保電站正常穩(wěn)定運(yùn)行。閥門局部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閥門局部結(jié)構(gòu)

1.3 斷裂故障現(xiàn)場調(diào)研

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，閥桿斷裂位置為閥桿與閥瓣之間的連接處，連接區(qū)域表面較為粗糙，同時具有較深的“溝痕”。初步判斷“溝痕”現(xiàn)象的出現(xiàn)，主要是該部件在加工時遺留下的缺陷，當(dāng)部件受到外部壓力時，極易導(dǎo)致該部件表面發(fā)生“缺口效應(yīng)”。除此之外，發(fā)現(xiàn)與閥桿相互連接的閥瓣密封面上有許多劃痕，連接區(qū)域也存在著大約 30 mm的壓痕。將閥瓣取出后對其進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該部件在安裝時選擇了專門的工裝，分析表明當(dāng)電站閥門閥桿發(fā)生斷裂時，兩個閥座將與閥門相連接的閥瓣卡死在中間[2]。通過查詢電站現(xiàn)場操作記錄，顯示當(dāng)發(fā)電機(jī)無法正常電動操作時，需要依靠手動來進(jìn)行操作。由于手動操作缺乏一定的力矩保護(hù)，使得與閥門相連接的閥瓣卡死在兩個閥座之間，導(dǎo)致閥桿不能向上或向下移動，進(jìn)而使閥桿與閥瓣相互連接的接觸區(qū)域承受過大的扭轉(zhuǎn)力矩，影響了電站發(fā)電機(jī)正常的運(yùn)行。

1.4 試驗(yàn)檢測

(1) 有限元模擬試驗(yàn)。通過對上述故障閥門閥桿故障斷裂原因進(jìn)行初步分析，了解到閥桿的受力情況與閥桿斷裂故障有一定的聯(lián)系。為明確電站閥門閥桿在工作時與閥瓣相互連接處的應(yīng)力分布情況，在初步分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了有限元模擬試驗(yàn)。為確保試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)可靠，在開展受力模擬試驗(yàn)時，輸入擬定好的扭轉(zhuǎn)力矩參數(shù)，同時劃分網(wǎng)格單元數(shù)，試驗(yàn)得到閥桿接頭處的應(yīng)力分布情況。各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，閥桿變截面倒角處是閥桿與閥瓣接頭處最大的應(yīng)力分布區(qū)域，并與電站閥門閥桿實(shí)際斷裂位置一致。

(2) 化學(xué)成分檢測。斷裂閥桿的制造材料為S43100馬氏體不銹鋼。對該閥桿進(jìn)行化學(xué)成分檢測，通過對各項(xiàng)數(shù)據(jù)的分析可知，閥桿制造材料中所含有的化學(xué)成分基本符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并無異?，F(xiàn)象。

(3) 金屬及合金化學(xué)成分與硬度檢測。為了檢測閥桿金屬及合金組織與硬度是否正常，通過檢測閥桿不同部位，以此來確定閥桿斷裂區(qū)域金屬及合金組織參數(shù)及硬度是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。硬度測試結(jié)果顯示，斷裂閥桿存在硬度分布不均勻的情況，尤其是非螺紋部位的硬度明顯高于尾部螺紋區(qū)部位的硬度，由此可以得出已斷裂的閥桿硬度與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)重不符，充分說明閥桿的硬度與電站閥門閥桿發(fā)生斷裂故障有著一定聯(lián)系。

(4)拉伸試驗(yàn)。對已斷裂閥桿不同部位進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以此來確認(rèn)閥桿材料拉伸性能是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。如圖2所示。

圖2 閥桿不同部位拉伸試驗(yàn)

各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，雖然已斷裂閥桿的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是斷后伸長率與斷面收縮率明顯不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，為了確認(rèn)斷裂閥桿材料韌性，同時也對閥桿不同部位進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該斷裂閥桿材料的韌性相對較差。

與此同時，利用電子顯微鏡對閥桿斷口與斷面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該閥桿斷口較為平整，閥桿表面均存在主裂紋與次裂紋，有較小區(qū)域的裂解面在裂紋源附近，沿晶斷裂是裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)主要顯示的特征，并且呈較為明顯的冰糖狀[3]。閥桿斷口裂紋走向呈垂直狀態(tài)且表面附著的晶粒輪廓較為明顯和清晰，該晶粒表面有爪痕狀撕裂條紋，與氫元素導(dǎo)致沿晶脆性斷口現(xiàn)象基本符合。S41300馬氏不銹鋼是斷裂閥桿制造材料。該材料雖具有強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但韌性、塑性等方面性能較差，尤其是對氫元素較為敏感。在應(yīng)力的作用下，使得氫元素在應(yīng)力集中區(qū)富集，進(jìn)而導(dǎo)致電站閥門閥桿極易出現(xiàn)氫脆。由此可知，電站閥門閥桿斷口明顯符合氫元素導(dǎo)致的沿晶脆性斷口特征。

1.5 具體斷裂原因分析

當(dāng)電站閥門閥桿無法正常電動操作時，需要采取手動進(jìn)行操作。由于手動操作無力矩保護(hù)，導(dǎo)致與閥桿相連接的閥瓣被卡死在兩個閥座之間。結(jié)合圖 1閥門結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)閥桿不能正常提拉時會使得閥桿與閥瓣兩者之間的接觸面產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力矩，應(yīng)力作用下，當(dāng)閥桿承受扭轉(zhuǎn)力矩時，閥桿變截面倒角處為應(yīng)力集中點(diǎn)，也就是閥門發(fā)生斷裂的位置。綜上所述，當(dāng)電站閥門閥桿無法正常提拉時，仍需要承受較大的扭轉(zhuǎn)力矩，進(jìn)而誘發(fā)閥門斷裂。

因 S41300馬氏不銹鋼是閥門的主要制造材料，根據(jù)硬度測試結(jié)果可知，該材料硬度明顯高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求最低數(shù)值，閥桿材料硬度過高會影響閥門正常提拉。由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，雖然拉伸強(qiáng)度高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是塑性指標(biāo)并不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，加上沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示，沖擊吸收功較低，使得閥桿材料整體沖擊性能較差。總的來說，強(qiáng)度高、韌性低以及塑性低是斷裂閥桿的明顯特征，同時斷裂閥桿材料對氫元素與表面“缺口效應(yīng)”相對敏感。在高于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，電站閥門閥桿極易發(fā)生氫致脆性斷裂。此外，閥桿與閥瓣相互接觸面因加工質(zhì)量問題出現(xiàn)“溝痕”，會使連接處接觸表面產(chǎn)生“缺口效應(yīng)”。由此可知，閥桿的材料性能、對氫脆敏感以及加工質(zhì)量問題是導(dǎo)致電站閥門閥桿出現(xiàn)斷裂故障的實(shí)質(zhì)原因。

1.6 試驗(yàn)結(jié)論

通過對斷裂閥桿開展各項(xiàng)試驗(yàn)，并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析和探究，總結(jié)了電站閥門閥桿出現(xiàn)斷裂的原因主要涉及以下幾個方面。

(1) 沿晶脆性斷裂。閥桿與閥瓣相連接區(qū)域變截面倒角處是閥桿斷裂常見位置，閥桿端口整體呈平坦?fàn)顟B(tài)，閥桿表面均有主裂紋與次裂紋存在，符合氫致沿晶脆性斷口特征。閥桿材料的力學(xué)特征不符合相關(guān)要求，加上該材料對氫元素較為敏感，是導(dǎo)致其斷裂的原因之一。

(2) 機(jī)械故障。造成閥桿不能正常提拉，是因與閥桿相連接的閥瓣卡死在兩個閥座之間。在此過程中，閥桿仍需要承受較大的扭轉(zhuǎn)力矩，進(jìn)而引發(fā)電站閥門閥桿出現(xiàn)斷裂故障。

(3) 閥桿與閥瓣的接觸面因加工質(zhì)量問題，使得接觸面存在“溝痕”，易產(chǎn)生“缺口效應(yīng)”。各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，閥桿材料強(qiáng)度高、韌性低、塑性低是閥桿斷裂故障較為明顯的特征。

2 防止電站閥門閥桿斷裂的措施

根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)作情況，應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)與完善閥門閥桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升閥桿能夠承受的扭轉(zhuǎn)力矩，并選擇合適的閥桿制造材料。材料的選擇除了符合硬度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求以外，還要增強(qiáng)閥桿整體韌性與塑性[4]。為有效防止電站閥門閥桿再次發(fā)生類似的斷裂故障，電站運(yùn)維人員應(yīng)檢測與斷裂閥桿同一生產(chǎn)批次的閥桿硬度，一旦發(fā)現(xiàn)不符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求的閥桿，必須及時更換，以此減少電站閥門閥桿斷裂故障的發(fā)生。同時電站應(yīng)加大閥門操作培訓(xùn)力度，邀請專家開展講座活動，確保電站每個工作人員都能精準(zhǔn)地掌握操作技巧，逐漸養(yǎng)成嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求來進(jìn)行操作的習(xí)慣，規(guī)范員工操作行為，避免因人為因素導(dǎo)致閥門閥桿出現(xiàn)斷裂故障。安裝閥門扭轉(zhuǎn)力矩保護(hù)裝置，并加大對電站各運(yùn)行部位防護(hù)力度，有效預(yù)防閥桿斷裂等類似故障的發(fā)生，在有效降低電站閥門閥桿出現(xiàn)類型斷裂故障的幾率的同時，也能減少電站機(jī)組運(yùn)維費(fèi)用與工作量。

為提升電站設(shè)備運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，從運(yùn)行疲勞與應(yīng)力集中這兩方面入手，對電站閥門閥桿的整體結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)整和改善。調(diào)整電站機(jī)組整體性能及閥桿制造材料，在一定程度上能夠有效減輕電站設(shè)備運(yùn)行時對閥桿產(chǎn)生的振動；對閥桿與閥瓣接頭處應(yīng)力集中部位進(jìn)行修整，縮小閥桿與閥瓣之間的間隙；盡可能選擇抗氧化性、硬度、韌性與塑性指標(biāo)較好的材料，加強(qiáng)閥桿加工質(zhì)量審核，保證閥門閥桿表面平滑性，避免閥桿應(yīng)力過于集中；另外，加強(qiáng)與部件供應(yīng)廠家加強(qiáng)溝通，合理設(shè)計(jì)電站閥門閥桿結(jié)構(gòu)，最大限度減少電站閥門閥桿斷裂故障的發(fā)生，有效增加閥桿使用壽命，提升電站整體運(yùn)行的安全性。

除此之外，應(yīng)充分考慮電站運(yùn)行的特殊性，使電站閥門閥桿的設(shè)計(jì)、安裝以及拆卸符合電站運(yùn)行的條件和要求，明確閥桿與各連接部件之間的硬度差異，同時對閥門閥桿采取防腐蝕措施，在有利于降低閥桿斷裂故障發(fā)生幾率的同時，確保電站中各項(xiàng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。在選擇閥門閥桿時必須要明確金屬成分、硬度以及拉伸等各項(xiàng)參數(shù)的指標(biāo)要求，最大限度達(dá)到電站安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)及居民用電需求。

3 結(jié)語

通過對電站閥門閥桿出現(xiàn)斷裂的原因進(jìn)行分析和研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致閥門閥桿斷裂的原因有自身承受力差、閥桿材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等因素。為了防止電站閥門閥桿斷裂等一系列故障的發(fā)生，電站運(yùn)維人員應(yīng)對閥桿硬度等進(jìn)行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)閥桿硬度超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，及時對閥桿進(jìn)行更換，同時應(yīng)加強(qiáng)對電站相關(guān)人員操作的培訓(xùn)，有效降低電站閥門閥桿斷裂故障發(fā)生的幾率。